加速度传感器 二维加速度采集系统的设计
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发布时间：2023-09-23 14:15
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时间：2024-11-23 19:41
[关键词]加速度采集 MSP430单片机 信号采集 串口通信
[中图分类号]TP277[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0059-02
引言
在大型转台测试系统中,需要对转台的运动参数实时的进行采集和控制。其中加速度的采集尤为重要,采用二维加速度计采集转臂末端的切向(X向)和法向(Y向)的加速度是一种很好的方法。由于在大型转台上的电磁环境复杂,采集到得加速度信号容易受到电磁干扰形成大的噪声从而影响实测参数。在采集的前端我们采用MODEL1221L-200高精度的采集加速度信号,然后将采集到得加速度模拟电压信号直接传给MSP430单片机,经过MSP430单片机内部的实时A/D转换和信号处理经串口传递给工控机。这样的串口数字信号传输就大大减少了电磁干扰。本文介绍了二维加速度系统的硬件构成、软件设计、以及通讯命令。经现场测试验证,该采集系统是有效可靠的。
1 硬件结构
1.1 MODEL1221L―200
本系统采用的加速度传感器是MODEL1221L-200,是单轴MEMS加速度计,它采用+5V供电,量程是±200g,频率响应范围是0到3500HZ,0到4.5V单端输出,输出噪声为200u g/(root Hz),MODEL1221L-200输出两路跟随加速度值线性变化的电压输出,在0g时AOP端和AON端输出两个2.5V电压;+200g时输出AOP端4.5V电压,AON端输出0.5V电压;-200g时AOP端输出0.5V电压AON端输出4.5V电压。
1.2 MSP430F1611
系统选择TI公司的MSP430F1611单片机作为系统的MCU,该单片机有如下特点:超低功耗,16位RISC结构,125ns指令周期,3通道DMA,12位A/D采样保持,双12位D/A同步转换,16位定时器Timer_A和Timer_B,片内比较器A,串行口USAURT0和USASRT1接口,48K+256B FLASH存储器和10K RAM等。
1.3 结构分析
本设计采用两路相同的加速度采集系统采集二维加速度值,在加速度计内部将两个MODEL1221L-200正交放置就可以分别测到X向和Y向的加速度值。首先,MODEL1221将采集到的加速度信号转换对应的0.5V到4.5V的电压信号,然后电压信号经过MAX7401进行10KHZ的低通滤波,再对滤波后的信号经过两个10k电阻进行分压,分压后的电压经过电压跟随器由MSP430单片机进行A/D转换并处理。单片机通过串口接收到PC机的相应指令后,单片计执行指令对应的动作。
这里我们选择了单片机内部2.5V电压作为A/D模块的参考电压,但是信号电压是0.5V到4.5V,这样的话就超出了AD模块的处理范围,所以在滤波后进行了分压,经过两个50K的电阻分压将信号电压变化范围变为0.25V到2.25V,为了防止信号衰减,在信号分压之后设计一个电压跟随器来用来保持信号。
系统MCU采用MSP430F1611单片机,单片机内有12位的A/D转换模块,采用内部2.5V参考电压的情况下可以分辨0.6mV电压信号。每次片内A/D 将采集到的模拟信号转化为对应数字信号后,然后经过处理后通过串口发送到PC机。单片机串口外接485电平转换芯片与PC机连接,是因为大型转台与测试系统的距离比较长,采用RS485通信协议更加可靠。采样频率我们设置为1KHZ,串口通信波特率为115200bps。硬件框图如下:
2 MSP430单片机程序设计
单片机启动之后首先初始化端口,串口,A/D,和时钟。此时单片机的A/D模块就开始工作,等待一次AD采集的完成,如果本次采集没有完成,单片机会一直等待。完成一次AD转化之后,就开始将采集到本次转换的12位数字量拆分成一个高4位和一个低8位,因为单片机的串口每次只能发送一个8位的数字量。这样的话就可以通过两次串口发送完成一个12位AD值的发送。AD值经过拆分之后判断是不是接到串口的开始发送命令。如果接到串口发来的开始发送命令,那么处理之后的数据发送到PC,发送完之后进入下一次采集。如果没有接到串口发来的开始采集命令,那么单片机直接进入下一次AD采集,并且不对拆分成高4位和低8位两个数坐任何处理,等待被下次采集到数之后直接覆盖掉。
3 结语
系统采用研华工控机做作为转台工控机和艾默生EV3000变频器来控制变频电机。软件设计基于windows平台的可视化集成开发工具delphi软件,用于监视和控制控制转台。
图3是转台三种频率变换动作,逐级递升使转台法向加速度在40g,60g,80g情况下转动。通过对实验数据的分析显示,有效的显示了转台运动状态。实验证明基于MODEL1221的二维加速度采集器,成功实现了大型转台加速度的实时采集,有效地反映转台的运动状态。
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